中國天眼確認(rèn)新發(fā)現(xiàn)44顆脈沖星 “天眼”視力越來越好

天眼的發(fā)現(xiàn)，又取得進(jìn)一步的發(fā)展。15日，首屆中國·天泉湖天文論壇在江蘇盱眙舉行。中國500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）首席科學(xué)家、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員李菂在論壇上表示，被譽(yù)為“中國天眼”的FAST經(jīng)過兩年的緊張調(diào)試工作，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了跟蹤、漂移掃描、運(yùn)動(dòng)中掃描等多種觀測模式，數(shù)項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)超過預(yù)期。截至目前，已發(fā)現(xiàn)了44顆被確認(rèn)的新脈沖星，有望明年下半年完成驗(yàn)收并向全國天文學(xué)家開放使用。

經(jīng)過工作人員的精心調(diào)試，如今“天眼”視力越來越好，脈沖星的批量發(fā)現(xiàn)也隨之開始。

去年10月10日中科院國家天文臺(tái)就曾對外公布，F(xiàn)AST首次發(fā)現(xiàn)脈沖星，當(dāng)時(shí)探測到數(shù)十顆優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，其中6顆通過國際認(rèn)證。近一年過去，如今新發(fā)現(xiàn)脈沖星的數(shù)量又有突破。截至目前，F(xiàn)AST已經(jīng)探測到59顆優(yōu)質(zhì)的脈沖星候選體，其中已經(jīng)有44顆得到認(rèn)證。

“特別是今年2月探測到有史以來最暗弱的毫秒脈沖星之一，這顆脈沖星是其他國家很多望遠(yuǎn)鏡看了多次卻都沒有看到的。這充分證明了FAST在靈敏度方面的優(yōu)勢。”李菂說。

搜尋和發(fā)現(xiàn)射電脈沖星是FAST核心科學(xué)目標(biāo)。脈沖星由恒星演化和超新星爆發(fā)產(chǎn)生，因發(fā)射周期性脈沖信號而得名。自1967年發(fā)現(xiàn)第一顆脈沖星以來，過去50年里，人類發(fā)現(xiàn)的脈沖星家族至少有2700個(gè)成員。

“脈沖星是一種高速自轉(zhuǎn)的中子星，它的密度極高，每立方厘米重達(dá)上億噸。它的自轉(zhuǎn)速度很快、自轉(zhuǎn)周期精確，是宇宙中最精確的時(shí)鐘。”李菂說，“因此，它具有在地面實(shí)驗(yàn)室無法實(shí)現(xiàn)的極端物理性質(zhì)，是理想的天體物理實(shí)驗(yàn)室，對其進(jìn)行研究，有希望得到許多重大物理學(xué)問題的答案。譬如，脈沖星的自轉(zhuǎn)周期極其穩(wěn)定，準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號為引力波探測、航天器導(dǎo)航等重大科學(xué)及技術(shù)應(yīng)用提供了理想工具。”

“通過對快速旋轉(zhuǎn)的射電脈沖星進(jìn)行長期監(jiān)測，選取一定數(shù)目的脈沖星組成計(jì)時(shí)陣列，就可以探測超大質(zhì)量雙黑洞等天體發(fā)出的低頻引力波。”李菂說。

巨大的接收面積和超高靈敏度，才能看清天體目標(biāo)的細(xì)節(jié)

自2016年9月25日落成啟用后，F(xiàn)AST望遠(yuǎn)鏡就正式進(jìn)入為期3—5年的調(diào)試期。

一般來說，巨星望遠(yuǎn)鏡調(diào)試期都會(huì)涉及天文、測量、控制、電子學(xué)、機(jī)械、結(jié)構(gòu)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，是一項(xiàng)強(qiáng)交叉學(xué)科的應(yīng)用性研究，所以國際上傳統(tǒng)大射電望遠(yuǎn)鏡的調(diào)試周期很少低于4年。

FAST總工程師、中科院國家天文臺(tái)研究員姜鵬說：“FAST巨大的接收面積注定了它有其他望遠(yuǎn)鏡無法比擬的優(yōu)勢，即超高的靈敏度，但這也使得它的系統(tǒng)構(gòu)成更為復(fù)雜，因此它的調(diào)試工作也更具有挑戰(zhàn)性，也更容易受設(shè)備故障的影響。同時(shí)，還有30噸饋源艙（安放FAST望遠(yuǎn)鏡用來接收宇宙外信號裝置系統(tǒng)的艙體）漂在高空，安全風(fēng)險(xiǎn)也極大。”

但調(diào)試團(tuán)隊(duì)不畏困難，經(jīng)過半年左右的努力，最終于2017年8月27日第一次完成了反射面和饋源支撐的協(xié)同動(dòng)作，首次實(shí)現(xiàn)了對特定目標(biāo)的跟蹤觀測，并穩(wěn)定地獲取了目標(biāo)源射電信號。這意味著“天眼”的“眼珠”可以轉(zhuǎn)動(dòng)了，也標(biāo)志望遠(yuǎn)鏡最具難度及最具有風(fēng)險(xiǎn)的功能性調(diào)試完成了。

姜鵬說：“此后，‘天眼’就可以克服地球的自轉(zhuǎn)，對天體目標(biāo)源進(jìn)行跟蹤觀測。要知道望遠(yuǎn)鏡的靈敏度不僅與其接收面積有關(guān)，還與望遠(yuǎn)鏡的跟蹤時(shí)間有關(guān)。就像人的眼睛一樣，只是掃視一下的話，我們只能看個(gè)大概的輪廓。如果想看清細(xì)節(jié)，就需要對著目標(biāo)仔細(xì)地端詳一段時(shí)間。其實(shí)，這也是FAST最重要的一個(gè)功能，只有能跟蹤了，‘天眼’才能發(fā)揮它的最優(yōu)性能。”

在實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的功能性調(diào)試之后，余下的任務(wù)主要是如何提升望遠(yuǎn)鏡的性能。

姜鵬說：“目前19波束已經(jīng)完成安裝調(diào)試。它可以將望遠(yuǎn)鏡的視場擴(kuò)大19倍，從而大幅地提升望遠(yuǎn)鏡的巡天效率，預(yù)期更多的脈沖星發(fā)現(xiàn)將由此開始。”

靜態(tài)掃描已達(dá)驗(yàn)收指標(biāo)，正為觀測河外星系脈沖星做準(zhǔn)備

姜鵬表示，有了19波束的支持，就可以開始向驗(yàn)收指標(biāo)沖刺了。

“望遠(yuǎn)鏡的驗(yàn)收指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，還要經(jīng)過非常繁雜的指標(biāo)分解，例如要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的靈敏度，就要知道反射面的精度等。”姜鵬說，截至目前，調(diào)試工作已取得了一些非?？上驳倪M(jìn)展。比如，望遠(yuǎn)鏡的系統(tǒng)噪聲已經(jīng)控制在20K左右的水平，同時(shí)靜態(tài)掃描模式下的效率已經(jīng)達(dá)到50%以上，望遠(yuǎn)鏡的靈敏水平已經(jīng)達(dá)到了1800平方米每K的水平，可以說靜態(tài)掃描工作模式已經(jīng)達(dá)到了望遠(yuǎn)鏡的驗(yàn)收指標(biāo)。下一步的任務(wù)就是提高跟蹤過程的控制精度，把跟蹤過程的靈敏度也實(shí)現(xiàn)同樣或相近的水平。

對于觀測范圍可達(dá)已知宇宙邊緣的“天眼”來說，發(fā)現(xiàn)脈沖星只是使命之一。未來，它還將在中性氫觀測、譜線觀測、尋找可能的星際通訊信號等方面進(jìn)行探索發(fā)現(xiàn)。

中外科學(xué)家也都期待“天眼”的發(fā)現(xiàn)從量變轉(zhuǎn)為質(zhì)變。“天眼”若能第一個(gè)捕獲河外星系脈沖星，將具有開創(chuàng)性意義。李菂和他的研究小組已經(jīng)在為觀測河外星系脈沖星做技術(shù)上的準(zhǔn)備，最早于明年初會(huì)進(jìn)行嘗試。